超声波在液压缸活塞位移测量中的应用

　　在工业生产中,液压缸活塞的位移和速度的测量是经常遇到的。目前在大多数场合采用差动变压器位移传感器和导电塑料电阻式传感器测量活塞位移和速度,但这些测量方法存在噪声干扰问题,同时提高频率响应也比较困难。特别是在测量大位移的液压缸活塞位移时,用其它传感器很难得到满意的测量效果。利用超声波来测量液压缸活塞位移可以满足液压缸大位移测量的需要,且测量精度高、频率响应快、自动化程度高、安装方便、价格便宜等。

　　1 测量原理

　　超声波在均匀的媒质里传播速度一定,不随声波频率变化而变化,这样我们只要计算出从超声波发射到接收到回波这段时间,就能计算所测的距离。距离可用(1)式表示:

　　式中:L为待测间距;c为声波在媒质中的传播速度;Δt为从超声波发射到接收到回波的时间。

　　测距误差(2)式计算:

　　式中:σL为测距误差;c为声波在媒质中的传播速度;σΔt为测量时间误差;σc为波速误差。

　　由上式可以看出,要想提高测距的精度,必须减少时间和波速的误差。

　　2 测距系统组成

　　本测量系统是以单片机为核心,由超声专用集成电路LM1812构成超声发射、接收电路,此外还有温度补偿电路、计时电路。系统框图见图1.

　　其工作原理简述如下:由单片机控制发射电路开始发射超声波,同时振荡电路开始振荡,计数器开始计数;当接收电路收到回波后,控制计数器停止计数;单片机接到计数器停止信号后,通过门电路关闭计数器,这样,即使再有回波也不会改变锁存器中的数值。单片机把读自锁存器中的数值存入RAM中。读入数据后,单片机打开计数器,等待下一次回波的到来。单片机把温度测量电路所测温度读入RAM中,对波速进行修正。把波速和时间数值代入(1)式中,计算出位移量,然后显示出来。

　　3 误差修正

　　3.1 超声波在液压油中传播速度公式的简化

　　超声波在液体中传播速度为

　　式中:cy为波在液体中的传播速度;k为介质的体积弹性模量;ρ为介质的密度。

　　其线性化公式为

　　修正后波速方程(4)与原波速方程(3)差值见图2.

　　由图2可知,用方程(4)来代替方程(3)波速误差的绝对值不会超过0.003m/s.假设液压缸活塞的最大位移为2m,超声波在液压油中的度越时间不超过1.25ms,即波速带来的测距误差不超过3.75x10^-3mm.这已完全能够满足液压缸测距误差,说明用公式(4)来简化公式(3)是完全可行的。